(57)【要約】  光学ロッカーで使用される干渉計が記載される。干渉計は、異なる熱経路長感度を有する少なくとも２つの透明材料を含む。干渉計は、入力ビームが干渉計によって第１および第２の中間ビームに分割されるように構成され、それらは再結合して出力ビームを形成し、第１および第２の中間ビームは、重なり合わない各自の第１および第２の中間ビーム経路に沿って移動する。中間ビーム経路の少なくとも１つは、透明材料のうち少なくとも２つを通過する。各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さは、第１の中間ビーム経路と第２の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される。
2019526044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ロッカーで使用される干渉計であって、異なる熱経路長感度を有する少なくとも２つの透明材料を含み、
前記干渉計が、入力ビームが前記干渉計によって、再結合して出力ビームを形成する第１および第２の中間ビームに分割されるように構成され、前記第１および第２の中間ビームが、重なり合わない各自の第１および第２の中間ビーム経路に沿って移動し、前記中間ビーム経路の少なくとも１つが、前記透明材料のうち少なくとも２つを通過し、
各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さが、前記第１の中間ビーム経路と前記第２の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される、干渉計。
【請求項２】
請求項１に記載の干渉計であって、
【数１】
2019526044.tif 000017
式中、Ｌ１ｘは材料ｘを通過する前記第１の中間ビームの経路の物理的長さ、Ｌ２ｘは材料ｘを通過する前記第２の中間ビームの経路の物理的長さ、ｑｘは材料ｘの熱経路長感度であり、このとき、各材料に関して、
ｑ＝ｎα＋ψ
であり、ｎは屈折率、αは線形熱膨張係数、ψは熱光学係数である、干渉計。
【請求項３】
温度に伴う前記光学経路差の変動が０．５ＧＨｚ／℃未満である、請求項１に記載の干渉計。
【請求項４】
前記干渉計がマイケルソン干渉計またはマッハ−ツェンダー干渉計のうち１つである、請求項１から３のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項５】
入力ビームを第１および第２の中間ビームに分割し、前記中間ビームを再結合して出力ビームを形成するように構成され、前記第１および第２の中間ビームが、各自の第１および第２の中間ビーム経路に沿って移動する、ビームスプリッタと、
第１および第２のミラーであって、前記第１および第２のビーム経路が前記第１および第２のミラーによって反射して前記ビームスプリッタに戻されるように、前記第１および第２の中間ビーム経路と交差してそれぞれ位置決めされ、前記第１のビーム経路と前記第２のビーム経路との間に光学経路差を作り出すように位置決めされた、第１および第２のミラーと、
異なる熱経路長感度を有する少なくとも２つの透明材料であって、各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さが、前記第１の中間ビーム経路と前記第２の中間ビーム経路との間の前記光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される、少なくとも２つの透明材料と
を備える、光学ロッカーで使用されるマイケルソン干渉計。
【請求項６】
入力ビームを第１および第２の中間ビームに分割するように構成され、前記第１および第２の中間ビームが、各自の第１および第２の中間ビーム経路に沿って移動する、第１のビームスプリッタと、
前記中間ビームを再結合して出力ビームを形成するように構成された、第２のビームスプリッタと、
前記第１および第２のビーム経路が前記第１のビームスプリッタから前記第２のビームスプリッタまで移動するように、前記第１および／または第２の中間ビーム経路と交差して位置決めされ、前記第１のビーム経路と前記第２のビーム経路との間に光学経路差を作り出すように位置決めされた、少なくとも１つのミラーと、
異なる熱経路長感度を有する少なくとも２つの透明材料であって、各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さが、前記第１の中間ビーム経路と前記第２の中間ビーム経路との間の前記光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される、少なくとも２つの透明材料と
を備える、光学ロッカーで使用されるマッハ−ツェンダー干渉計。
【請求項７】
光学ロッカーで使用される干渉測定アセンブリであって、入力アセンブリと、干渉計と、検出器アセンブリとを備え、
前記入力アセンブリが、試験ビームを受信し、前記試験ビームを複数の物理的に一致しない入力ビームに分割し、前記入力ビームを前記干渉計へと方向付けるように構成され、
前記干渉計が、各入力ビームを受信し、各入力ビームに対して、前記入力ビームの波長に依存する強度を有する出力ビームを生成するように構成され、
前記検出器アセンブリが、それぞれの出力ビームの強度にそれぞれ依存する、複数の出力信号を生成するように構成され、
前記入力アセンブリが、各入力ビームが異なる経路差で前記干渉計を通って移動するように、および前記出力ビームが物理的に分離されて前記検出器アセンブリに到達するように、前記入力ビームを方向付けるように構成された、干渉測定アセンブリ。
【請求項８】
各入力ビームが異なる角度で前記干渉計に入る、請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記入力ビームが、前記干渉計に入るときに水平または垂直に分離される、請求項７または８に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記出力ビームを前記検出器アセンブリ上に集光するように構成された１つまたは複数の放物面ミラーを備える、請求項７から９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記入力アセンブリが、全ての波長に関して、前記出力信号の少なくとも１つが、指定の非ゼロ値よりも大きい、波長に伴う変化率を有するように構成された、請求項７から１０のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
各波長に対する好ましい出力信号が、該波長における波長に伴う最大変化率を有する前記出力信号であり、前記入力アセンブリが、前記好ましい出力信号の前記変化率が最小値を有する波長において、前記好ましい出力信号の波長に伴う前記変化率を最大化するように入力ビームを方向付けるように構成された、請求項７から１１のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記干渉計がマッハ−ツェンダーまたはマイケルソン−モーリー干渉計であり、前記入力アセンブリが、第１の入力ビームから得られる出力ビームの強度と波長の関係が、第２の入力ビームから得られる出力ビームの強度と波長の関係からπ／２の位相差を有するようにして、２つの入力ビームを生成するように構成された、請求項７から１２のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
光学ロッカーで使用される干渉測定アセンブリであって、干渉計と、検出器アセンブリとを備え、
前記干渉計が、第１の経路に沿って出力側から見た入力側の像が、第２の経路に沿って出力側から見た入力側の像から、少なくとも入力ビームに垂直な方向に変位されるように構成され、
前記検出器アセンブリが、前記干渉計によって生成される干渉パターンの異なる領域の強度を検出し、前記領域の前記強度に基づいて複数の出力信号を判定するように構成され、前記出力信号がそれぞれ、強度と波長との関係に対して異なる位相を有する、干渉測定アセンブリ。
【請求項１５】
出力信号が前記干渉パターンの各領域の強度から判定される、請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記出力信号がそれぞれ、全ての前記出力信号に共通の正規化領域の強度から判定される、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記出力信号がそれぞれ、前記それぞれの領域の強度を前記正規化領域の強度で割ったものに比例する、請求項１６に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
前記干渉計がマイケルソン干渉計であり、前記入力側と前記干渉計との間に配置された正規化ユニットを備え、前記正規化ユニットが、１００％偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタから前記干渉計に向かう方向に配置された１／４波長板と、検出器とを備え、
前記偏光ビームスプリッタが、入力ビームが前記１／４波長板および前記干渉計を通過するのを可能にし、前記干渉計からの戻りビームを前記検出器へと反射するように配置され、前記検出器アセンブリからの出力信号が、前記検出器で測定した前記強度に基づいて正規化される、請求項１４または１５に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
前記干渉計がマイケルソンまたはマッハ−ツェンダー干渉計である、請求項１４から１７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項２０】
請求項７から１９のいずれか一項に記載の干渉測定アセンブリに試験ビームを提供するステップと、
測定された強度の波長に伴う変化率が最大である出力信号に基づいて、前記試験ビームの波長を判定するステップと
を含む、試験ビームの波長を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学ロッカーに関する。特に、本発明は、光学ロッカーの波長を測定する干渉計に対する改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバー通信チャネルでは、単一のファイバーを介して複数の光信号を伝送する高密度波長多重（ＤＷＤＭ）が使用される。かかる用途では、チャネルはそれぞれ、周波数グリッドによって定義される別個の周波数を有する（例えば、ＩＴＵ−Ｔ  Ｇ．６９４．１）。
【０００３】
レーザー源によって生成される光学信号の周波数は、波長ロッキングメカニズムによってグリッドの周波数に「ロック」される。波長ロッキングメカニズムは、各光学信号の波長を測定する手段と、測定に応じて対応するレーザー源の出力を調節するフィードバックループとを備える。
【０００４】
一般的に、波長を測定する手段は、ファブリ−ペロー（ＦＰ）エタロン（または干渉計）を含む。ＦＰエタロンが、図１Ａに示されており、２つの反射面を備えた透明プレートを備える。光が表面の間をはね返るにつれて、伝送された光線が互いに干渉して、周波数とプレート間の光学距離とに依存する特徴的な干渉パターンを生成する。
【０００５】
ＦＰエタロンの周波数応答は、図１Ｂに示される特性曲線を有する。光学ロッカーの最大分解能を提供するため、所望の周波数が高勾配の周波数応答グラフの領域内にあるように校正される。これは、周波数の小さい変化によって出力が大きく変化することを意味する。
【０００６】
エタロンの挙動はプレートを通る光学経路長に依存するので、挙動は極めて温度依存性である。光学経路は温度と共に増加する傾向にあるが、温度に伴う材料の膨張と、温度に伴う材料の屈折率の変化の両方による。
Ｐ（Ｔ）＝ｎ（Ｔ）Ｌ（Ｔ）
【０００７】
【数１】
2019526044.tif 000003
【０００８】
【数２】
2019526044.tif 000004
【０００９】
式中、Ｐは光学経路長、ｎ（Ｔ）は温度の関数としての屈折率、Ｌ（Ｔ）は温度の関数としての物理的長さ、αは熱膨張係数、ψは熱光学係数である。αはほとんどの材料の場合に正であり、ψは正または負であり得る。
【００１０】
したがって、適切な校正を確保するには、エタロンの温度は厳密に制御されなければならない。これは、エタロンを一定の温度に保つことによって行うことができる。ＷＯ２０１５／０３０８９６号に開示されているものなど、より洗練されたエタロンでは、エタロンを異なる周波数に合わせて自動的に再校正可能にするために、エタロンの温度を制御された形で変化させることができる。
【００１１】
温度制御によって、エタロン製造の複雑さとコストが更に増すので、温度非依存性にすることができる光学ロッカーが必要とされている。
【００１２】
（温度非依存性の光学ロッカーの基礎を形成する）温度非依存性のエタロンを作成するためには、干渉ビーム間の位相差は温度非依存性でなければならない。これを達成するためには、ビーム間の光学経路差は温度非依存性でなければならない。
【００１３】
透明プレートを真っ直ぐに通過するビームと、各干渉面で一度反射されるビームとの２つのみのビームが伝送される、単純化したＦＰエタロンについて考慮する。Ｐ１は第１のビームの光学経路長、Ｐ２は第２のビームの光学経路長、ΔＰは光学経路差である。
【００１４】
【数３】
2019526044.tif 000005
【００１５】
これは、ＦＰエタロンに関する任意の教科書の考察、例えば、ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ＿ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒに見出すことができる。
【００１６】
ΔＰは、透明プレート内の経路長差による寄与と、空気中の経路長差による寄与とを含む。空気中の経路長差は、妥当な温度にわたってほぼ一定なので、温度依存性は透明材料を通る経路長差によるものである。ｐ１は透明材料を通過する第１のビームの光学経路長、ｐ２は透明材料を通過する第２のビームの光学経路長である。第１および第２の経路は同じ材料を通過するので、ｐ２＝３ｐ１であり、したがってΔＰ＝Δｐａｉｒ＋２ｐ１である。したがって、経路差の温度依存性、ｄΔＰ／ｄＴ＝２ｄｐ１／ｄＴであり、透明材料を通る経路の温度依存性である。
【００１７】
ｄｐ１／ｄＴは、知られているどの材料でもゼロにはなり得ない。知られている材料の場合、温度に伴う経路長の変化ｄＰ／ｄＴは一般に正であり、負の熱光学係数を有する材料であっても、材料自体の膨張（即ち、Ｌの増加）は屈折率の減少と反作用する。図２はこれを示しており、図２Ａはガラスの範囲に関するα対ψを示し、図２Ｂはガラスの範囲に関する熱経路全体を示している。ｄＰ／ｄＴは正なので、透明プレートにおけるどの材料の組み合わせでも、ｄｐ１／ｄＴはゼロにならない。
【００１８】
したがって、温度非依存性のエタロンは不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】ＷＯ２０１５／０３０８９６号
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ＿ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の一態様によれば、光学ロッカーで使用される干渉計が提供される。干渉計は、異なる熱経路長感度を有する少なくとも２つの透明材料を含む。干渉計は、入力ビームが干渉計によって第１および第２の中間ビームに分割されるように構成され、それらは再結合して出力ビームを形成し、第１および第２の中間ビームは、重なり合わない各自の第１および第２の中間ビーム経路に沿って移動する。中間ビーム経路の少なくとも１つは、透明材料のうち少なくとも２つを通過する。各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さは、第１の中間ビーム経路と第２の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される。
【００２２】
更なる態様によれば、光学ロッカーで使用されるマイケルソン干渉計が提供される。干渉計は、ビームスプリッタと、第１および第２のミラーと、少なくとも２つの透明材料とを備える。ビームスプリッタは、入力ビームを第１および第２の中間ビームに分割し、前記中間ビームを再結合して出力ビームを形成するように構成され、第１および第２の中間ビームは、各自の第１および第２の中間ビーム経路に沿って移動する。第１および第２のミラーはそれぞれ、第１および第２のビーム経路が第１および第２のミラーによって反射してビームスプリッタに戻されるように、前記第１および第２の中間ビーム経路と交差して位置決めされ、第１および第２のミラーは、第１のビーム経路と第２のビーム経路との間に光学経路差を作り出すように位置決めされる。少なくとも２つの透明材料は異なる熱経路長感度を有する。各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さは、第１の中間ビーム経路と第２の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される。
【００２３】
更なる態様によれば、光学ロッカーで使用されるマッハ−ツェンダー干渉計が提供される。干渉計は、第１および第２のビームスプリッタと、少なくとも１つのミラーと、少なくとも２つの透明材料とを備える。第１のビームスプリッタは、入力ビームを第１および第２の中間ビームに分割するように構成され、第１および第２の中間ビームは、各自の第１および第２の中間ビーム経路に沿って移動する。第２のビームスプリッタは、前記中間ビームを再結合して出力ビームを形成するように構成される。少なくとも１つのミラーは、第１および第２のビーム経路が第１のビームスプリッタから第２のビームスプリッタまで移動するようにして、前記第１および／または第２の中間ビーム経路と交差して位置決めされ、少なくとも１つのミラーは、第１のビーム経路と第２のビーム経路との間に光学経路差を作り出すように位置決めされる。少なくとも２つの透明材料は異なる熱経路長感度を有する。各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さは、第１の中間ビーム経路と第２の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される。
【００２４】
更なる態様によれば、光学ロッカーで使用される干渉測定アセンブリが提供される。アセンブリは、入力アセンブリと、干渉計と、検出器アセンブリとを備える。入力アセンブリは、試験ビームを受信し、試験ビームを複数の物理的に一致しない入力ビームに分割し、入力ビームを干渉計へと方向付けるように構成される。干渉計は、各入力ビームを受信し、各入力ビームに対して、入力ビームの波長に依存する強度を有する出力ビームを生成するように構成される。検出器アセンブリは、それぞれの出力ビームの強度にそれぞれ依存する、複数の出力信号を生成するように構成される。入力アセンブリは、各入力ビームが異なる経路差で干渉計を通って移動するようにして、また出力ビームが物理的に分離されて検出器アセンブリに到達するようにして、入力ビームを方向付けるように構成される。
【００２５】
更なる態様によれば、光学ロッカーで使用される干渉測定アセンブリが提供される。アセンブリは、干渉計と、検出器アセンブリとを備える。干渉計は、第１の経路に沿って出力側から見た入力側の像が、第２の経路に沿って出力側から見た入力側の像から、少なくとも入力ビームに垂直な方向に変位されるように構成される。検出器アセンブリは、干渉計によって生成される干渉パターンの異なる領域の強度を検出し、領域の強度に基づいて複数の出力信号を判定するように構成され、出力信号はそれぞれ、強度と波長との関係に対して異なる位相を有する。
【００２６】
更なる態様によれば、試験ビームの波長を測定する方法が提供される。方法は、上記２つの態様のいずれかによる干渉測定アセンブリに試験ビームを提供するステップと、測定された強度の波長に伴う変化率が最大である出力信号に基づいて、試験ビームの波長を判定するステップとを含む。
【００２７】
図面中、光学成分が例示される場合、
二重線はミラー（例えば、図３の３０３）、
細い点線はビームスプリッタ（例えば、図３の３０２）、
太い点線または破線はビーム経路（例えば、図３の３０）を示し、
最終出力に寄与しないビーム経路は図示されない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】ファブリ−ペローエタロンを示す図である。
【図１Ｂ】ファブリ−ペローエタロンの周波数応答を示すグラフである。
【図２】ガラスの範囲の熱特性を示す図である。
【図３】従来技術によるマッハ−ツェンダー干渉計を示す図である。
【図４】一実施形態によるマッハ−ツェンダー干渉計を示す図である。
【図５】干渉計の選択に関する強度対波長を示すグラフである。
【図６】干渉計の例示の幾何学形状を示す図である。
【図７】完全な熱非依存性の干渉計をＬ２が１１１ミクロン長すぎる干渉計と比較したグラフである。
【図８】複数の出力信号を有する干渉計からの例示の出力を示す図である。
【図９】ビームを検出器上に集光する構成を示す図である。
【図１０】干渉計の範囲に関する干渉パターンを示す図である。
【図１１】例示の干渉計に関する検出器スライスに沿った強度対位相角度を示す図である。
【図１２】更なる例示の干渉計に関する検出器スライスに沿った強度対位相角度を示す図である。
【図１３】例示の検出器を示す図である。
【図１４】例示の干渉計を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
式中の項の索引
（式の説明において別の形で指定されている場合を除く）
Ｔ  温度
Ｐ  光学経路長
Ｌ  物理的経路長
α  熱膨張の線形係数
ｎ  屈折率
ψ  熱光学係数
ｑ  熱経路長感度、ｑ＝１／Ｌ  ｄＰ／ｄＴ＝ｎα＋ψ
ν  周波数
λ  波長
ｃ  真空中の光の速度
Ｓ  出力パワー
Ｅ  電界強度
ｗ  ガウス分布半値幅
φ  角度（説明において示される）
θ  位相差
【００３０】
下付き添字は、別の形で定義されない限り、その量が特定の成分に関する、または特定の経路に沿ったものであることを示す。下付き添字ｎまたはｘは、成分または経路の選択を示す（例えば、ｎｘは考察される材料のいずれかの屈折率となる）。Δは差を示すのに使用され、例えば、ΔＰは光学経路差である。
【００３１】
温度非依存性干渉計
温度非依存性光学ロッカーを作成するために、温度非依存性干渉計が必要とされる。上記に示したように、エタロンの場合はこれは不可能である。しかしながら、他のタイプの干渉計の場合にこれを達成することができる。
【００３２】
例えば、図３に示されるようなマッハ−ツェンダー（Ｍ−Ｚ）干渉計について考察する。入力ビーム３０は、ビームスプリッタ３０１によって中間ビーム３１および３２に分割される。中間ビーム３１は、ミラー３０３を介してビームスプリッタ３０２まで移動し、中間ビーム３２は、ビームスプリッタ３０１によって分流され、ミラー３０４を使用してビームスプリッタ３０２へと方向付けられる。ビームスプリッタ３０２で、ビーム３１および３２は再結合して出力ビーム３３となり、出力の強度はビームスプリッタ３０２における中間ビーム３１および３２の位相差に依存し、したがって、中間ビーム３１および３２が取る経路間の光学経路差に依存する。
【００３３】
ビーム３１が取る経路が経路長Ｐ３１を有し、ビーム３２が取る経路が経路長Ｐ３２を有するものとする。
【００３４】
【数４】
2019526044.tif 000006
【００３５】
したがって、
【００３６】
【数５】
2019526044.tif 000007
【００３７】
ただし次式の場合
【００３８】
【数６】
2019526044.tif 000008
【００３９】
Ｐ３２およびＰ３１は非依存なので（ｐ２がｐ１の倍数であるＦＰエタロンとは異なる）、この条件は実際に達成可能である。
【００４０】
例えば、図４に示されるＭ−Ｚ干渉計について考察する。入力ビーム４０は、ビームスプリッタ４０１によって中間ビーム４１および４２に分割される。中間ビーム４１はビームスプリッタ４０２まで直接移動し、中間ビーム４２は、ビームスプリッタ３０１によって分流され、ミラー４０３を使用してビームスプリッタ４０２へと方向付けられる。ビームスプリッタ４０２で、ビーム４１および４２は再結合して出力ビーム４３となり、出力の強度はビームスプリッタ４０２における中間ビーム４１および４２の位相差に依存し、したがって、中間ビーム４１および４２が取る経路間の光学経路差に依存する。図４の干渉計は、第１の材料で作られた部分４２１と、第２の材料で作られた部分４２２とを有する。ビーム４１が取る経路は第１の材料のみを通過し、ビーム４２が取る経路は第１および第２の材料を通過する。
【００４１】
第１および第２の材料が適切に選択された場合、ビーム４２が第１および第２の材料それぞれを通って取る経路の長さを、ビーム４１が第１の材料を通って取る経路の長さに対して調節することによって、経路差が熱非依存性である幾何学形状を与えることができる。例えば、ブロック４２１がＬＡＦ９（市販のガラス）で作られ、ブロック４２２が石英で作られた場合、図５は、物理的経路長の異なる比に関する出力の強度対波長のグラフを示している。図５の物理的経路長は、ビームスプリッタ４０１からビームスプリッタ４０２までで測定され、ビーム３２がブロック４２１を通って移動する距離を減算して、経路の等価部分を割り引く。
【００４２】
図５Ａでは、比は２．８２６であり、出力強度対波長のグラフは温度上昇に伴って左に移動する（即ち、グラフは低波長の方向に平行移動する）。図５Ｂでは、比は４．３５５であり、グラフは温度上昇に伴って右に移動する。図５Ｃは、比が３．５３７の場合を示しており、５０Ｋの温度差にわたってグラフは変化せず、即ち干渉計は温度非依存性である。
【００４３】
第１および第２の経路が独立しており、即ち、第１の経路の少なくとも一部が第２の経路と重なり合わず、その逆も真であると仮定すると、温度非依存性をもたらす様々な幾何学形状が可能であることが認識されるであろう。Ｍ−Ｚまたはマイケルソン干渉計に基づいた、いくつかの例示的な幾何学形状が図６に示される。二重線は反射面を表し、点線はビームスプリッタを表し、太い破線は光が取る経路を表す（干渉パターンに寄与しないビームは全て無視する）。囲まれた領域はそれぞれ異なる材料から作られる。経路の重なり合わない部分は、所望の温度非依存性を与えるように調整することができるが、それには、経路のうち少なくとも１つの重なり合わない部分が２つの異なる材料を通過することを要する。図６Ｄに示されるように、ビームスプリッタは、エアギャップの入力側とは反対側に楔状または円筒状の表面を有して、２つのガラスの間にエアギャップを設けることによって作成することができる。エアギャップの入力側における部分内反射によって、必要なビーム分割が得られる。楔状または円筒状表面によって、エアギャップの遠い側におけるビームの角度がエアギャップの近い側におけるビームの角度とは異なり、必要な経路差が作られることが確保される。
【００４４】
必要な自由スペクトル範囲、ならびに熱非依存性を達成するため、物理的経路長は次式を満たさなければならない。
【００４５】
【数７】
2019526044.tif 000009
【００４６】
【数８】
2019526044.tif 000010
【００４７】
Ｌ１は、第１の光学経路（即ち、ビームスプリッタ間の経路）の重なり合わない部分の物理的長さ、Ｌ２は、第２の光学経路の重なり合わない部分の物理的長さ、ｑｘは、材料ｘに関する熱経路長感度、ｑ＝ｎα＋ψ、Δνは自由スペクトル範囲、ｃは真空中の光の速度、Ｌｎｘは材料ｘを通過する経路ｎの物理的長さである。
【００４８】
図４に示される干渉計または他の干渉計の場合、経路Ｌ１が第１の材料のみを通過し、経路Ｌ２が距離Ｌ０にわたり第１の材料を通過し、距離Ｌ２−Ｌ０にわたり第２の材料を通過する場合、式は下記に換算される。
【００４９】
【数９】
2019526044.tif 000011
【００５０】
【数１０】
2019526044.tif 000012
【００５１】
式中、ｑ１は第１の材料の熱経路長感度、ｑ２は第２の材料の熱経路長感度であり、ｑ＝ｎα＋ψである。Ｌ１およびＬ２の両方が距離Ｌ０にわたって第１の材料を通過し、それぞれ次にそれぞれの他方の材料を通過する場合（例えば、図６Ｘ）、ｑｎを経路Ｌｎが通過する他の材料の熱経路長感度として用いて、これらの式を使用することができる。当然ながら、自由スペクトル範囲にある程度の自由度がある場合、距離Ｌ１を選び、自由スペクトル範囲をそれから計算することができる。
【００５２】
屈折率ｎは温度依存性であるが、ｎの変動は小さいので、ｑは一定であると仮定することができる（ψは一般的に１０−６〜１０−７程度、ｎは一般的には１〜２なので、約１００Ｋの温度差の場合、変動は約０．１％以下である）。この近似によって導入される誤差は無視できる可能性が高く、Ｌ１およびＬ２の一般的な値は１０００ミクロン程度なので、ｑの何らかの変動による誤差は製造公差に類似する可能性が高い。図７は、完全な熱非依存性の干渉計をＬ２が１１１ミクロン長すぎる干渉計（熱依存性は誤差１ミクロン毎の１Ｋ当たり０．５ＭＨｚである）と比較したグラフを示している。光学ロッカーが一般的には数十ＧＨｚの周波数で動作することを所与とすると、これは容認可能な変動である。
【００５３】
複数の出力信号
光学ロッカーを有効に機能させるため、波長／強度グラフの高勾配領域において波長測定が行われるべきである。干渉計が温度非依存性の場合であっても、単一の干渉計を用いて全波長範囲にわたってかかる感度を達成する、方法の例が以下に提示される。以下の例は干渉計が温度非依存性であることを必要とせず、温度が適切に制御されていれば温度依存性の干渉計でも作用することが、当業者には認識されるであろう。
【００５４】
以下の例の原則は、２つ以上の出力信号を有する干渉計を提供するというものであり、その場合、出力信号の少なくとも１つはいずれの波長でも高勾配を有する。この一例が図８に示されており、線１、２はそれぞれ第１および第２の出力信号を示す。以下でグラフに示されるように、波長に応じてどの信号が測定されるかを変更することによって、全範囲にわたって高い感度を維持することができる。
【００５５】
複数の出力信号を発生させる第１の選択肢は複数の入力ビームを使用することであり、入力ビームは、出力ビームを対応して分離させ、各出力ビームからの信号を別個に分解することが可能になるように、垂直または水平に分離される。出力ビームの差を生じさせるために、入力ビームはそれぞれ、干渉計に対する異なる入射角を有してもよく、それによって各ビームに関して異なる光学経路差が生じる。干渉計に対する入力ビームを発生させるのに、試験されるビームは、干渉計に入る前に１つまたは複数のビームスプリッタによって分割されてもよい。
【００５６】
マイケルソンまたはマッハ−ツェンダー干渉計などの正弦応答を有する干渉計の場合、各ビームの波長／強度グラフ間にπ／２の位相差を有する２つのビームの出力によって、十分な感度が得られる。他の干渉計の場合、全ての波長を十分な感度で網羅するのに、２つを超える出力ビーム（およびしたがって、２つを超える入力ビーム）が必要なことがある。この技術は、出力信号が物理的に分離されて検出器アセンブリに到達する、任意の干渉計に対して機能し得る。
【００５７】
物理的分離は、入力ビームを水平および／または垂直に分離することによって増加させることができる。図９Ａは、ビームが垂直に積み重ねられた例示の干渉計を側面図９０１および平面図９０２で示し、図９Ｂは、ビームが水平に積み重ねられた例示の干渉計を側面図９１１および平面図９１２で示している。例示の干渉計はそれぞれ一対の入力ビーム９０３および９０４、９１３および９１４を有し、それらは干渉計９０５、９１５（マイケルソン干渉計として示されているが、他のタイプが使用されてもよい）内へと方向付けられる。ビームはそれぞれ、例えば、小さい角度誤差を各ビームに導入することによって、各ビームの経路差が異なるようにして、干渉計内へと方向付けられる。入力ビーム９０３および９０４、９１３および９１４は、それぞれの出力ビームを生成し、それらは放物面ミラーアセンブリ９０６、９１６によって、検出器アセンブリ９０７、９１７上に集光される。検出器アセンブリ９０７、９１７は、放物面ミラーアセンブリ９０６、９１６の下方にあるので、平面図には示されていない。放物面ミラーアセンブリ９０６、９１６は、各ビームに１つずつ、２つの放物面ミラーを備え、検出器アセンブリ９０７、９１７は、各ビームに対する検出器または検出器領域を備え、各ビームに対して別個の出力信号を生成する。
【００５８】
あるいは、単一の入力ビームを使用して２つの出力信号が得られてもよい。これは、マイケルソンまたはマッハ−ツェンダー干渉計のミラーに小さい角度誤差を導入することによって、行うことができる。図１０で分かるように、同心円を形成する代わりに、干渉パターンは、角度誤差が増大するにつれて一連の平行なフリンジに向かう傾向がある。波長に伴うパターンの強度変化はそれほど顕著ではないが、その代わり、パターンは波長の変化に伴ってどちらかの側に平行移動する。パターンがこのように挙動する条件は、干渉計の出力側から見たとき、１つのビーム経路に沿った入力の像が、他方のビーム経路に沿った入力の像から、ビーム経路に対して垂直な方向に変位されることである。入力の像がビーム経路に対して完全に平行に変位される場合、「従来の」同心円フリンジパターンが現れ、その強度は波長に依存する。入力の像がビーム経路に対して完全に垂直に変位される場合、干渉パターンは一連のフリンジであり、強度は波長に依存しない。他の変位は、ビーム経路と入力の像を接続する線との角度に応じて、図１０に示される中間パターンを形成する。
【００５９】
図１１Ａは、２つのアーム間の位相差（θ）を変動させた際の、検出器の中央を通る水平（ｘ）強度分布を示す。スポットは、ｘ軸に沿って変位するように見え、位相差が変化するにつれて別のスポットに置き換わることができる。これはＦＳＲに等しい周期で周期的に起こる。図１１Ｂは、検出器の各半分（即ち、ｘ＞０、ｘ＜０）によって検出される統合された強度を示しており、これは、所望のように（また、図８に関連して考察したように）π／２の位相差を有する２つの信号１１０１、１１０２を発生させる。
【００６０】
ビーム間の角度が増加した場合、フリンジの間隔は（図１０を参照して上述したように）減少し、いくつかの強度ピークが像を横切って移動する。これは、図１１Ａよりもビーム間の角度が大きい干渉計に関して、２つのアーム間の位相差（θ）を変動させた際の、検出器の中央を通る水平（ｘ）強度分布を示す、図１２Ａに示されている。図１２Ｂは、検出器の各半分に関して集められる統合された強度を示しているが、２つの信号１２０１、１２０２は逆位相であって、各信号の最大勾配が一緒に起こるので、この例は複数出力システムには適さないであろうことが分かる。ビーム間の角度、および検出器の領域の構成は、所望の位相差を有する任意の数の信号を生成するために変動させることができることが、当業者には認識されるであろう。
【００６１】
したがって、パターンの異なる領域における強度は、依然として波長に伴って変動する。したがって、パターンの別個の領域を測定することによって、互いから一定の位相差で波長に伴って変動する信号を得ることができる。例えば、図１３に示されるように検出器を３つの区画に分け、ｓｉｇ１／ｓｉｇ２およびｓｉｇ３／ｓｉｇ２として２つの信号を取ることによって、検出器２の幅に依存する位相変位を有するプロットが得られる。
【００６２】
あるいは、検出器は２つの区画に分けられ、出力信号が各区画から取得される。
【００６３】
一般に、ある数の出力信号を獲得するには、検出器が、その数のセグメントに分けられて、各セグメントから１つの信号が獲得されるか、またはより多数のセグメントに分けられて、セグメントの組み合わせから信号が取得されてもよい。
【００６４】
信号間の位相差は、各検出器で受信されるパワーから計算することができる。
【００６５】
【数１１】
2019526044.tif 000013
【００６６】
【数１２】
2019526044.tif 000014
【００６７】
【数１３】
2019526044.tif 000015
【００６８】
式中、ｗｘおよびｗｙはｘおよびｙそれぞれにおけるビームのガウス半値幅、φ０は２つのビーム間の指向性の角度分離、θは２つのビーム間の位相差であって周波数依存性、Ｅｔｏｔは出力からの合計電界、Ｓｔｏｔは合計出力パワー、Ｅ０は定数、ｓｉｇＮは領域Ｎから受信した信号、ｎ＋およびｎ−はｗｘ単位で測定したｘ方向における領域Ｎの広がりである。上記式によって、ｙ方向における検出器の広がりが無限である理想的な事例が得られる。検出器が±Ｙｗｙに及ぶ実際の用途では、最終積分値は次式の通りである。
【００６９】
【数１４】
2019526044.tif 000016
【００７０】
光学ロッカーで使用することができる出力を生成するためには、出力信号を正規化しなければならないので、信号は、波長にのみ依存し、入力ビームのパワーには依存しない。従来の光学ロッカーでは、これはエタロンの前にビームを分割し、第１のビームを干渉計に、第２のビームを検出器に送ることによって実施される。エタロンからの出力信号は、検出器からの信号によって分けられて、正規化された出力信号が形成される。しかしながら、これには、パワーの一部分が検出器へと「吸い上げられ」る必要があるので、光学ロッカーの効率が低減される。
【００７１】
マイケルソン干渉計を使用する場合、光がレーザーに戻ることも防ぎつつ、より効率的な正規化を得ることができる。例示的なシステムが図１４に示されている。マイケルソン干渉計１４０１は、（図に示されるように、また上述したように）温度非依存性であってもよく、または従来のマイケルソン干渉計であってもよい。それに加えて、上述したミラーにおける角度誤差を伴って使用されてもよい。入力ビームは、線形偏光である入力偏光によって偏光されて提供される。ビームスプリッタ１４０２は、入力偏光を通過させるように構成された１００％偏光スプリッタである。入力ビームの反射成分（図示なし）は吸収表面によって吸収され、伝送された成分は１／４波長板１４０３を介して干渉計１４０１を通り、つまり干渉計内の光は円形偏光される。干渉計は、検出器１４０４を通るものと、入力ビームの経路に沿って戻るものとの、２つの出力ビームを作り出す。第２の出力ビームは１／４波長板を通るので、１００％偏光スプリッタに当たるとビームが検出器１４０５へと全反射されるようにして、線形偏光される。
【００７２】
干渉計に対する入力パワーは、検出器１４０４および１４０５におけるパワーの合計なので、正規化をＳ１２０４／（Ｓ１２０４＋Ｓ１２０５）（式中、Ｓは各検出器で測定したパワー）として計算することができる。検出器１４０４および１４０５が同じ感度を有さない場合、正規化された信号は、強度と波長との間にわずかに非正弦的な関係を有するようになる。これは、検出器間の感度差が１０％以下の場合は顕著ではなく、より大きい差の場合は補正することができる。同様に、信号プロファイルは、多部分検出器のセグメント間にあり得るデッドスペースによって変化するが、帯域にわたって影響は同一なので、これらの誤差は補償することができる。
【符号の説明】
【００７３】
３０  入力ビーム
３１  中間ビーム
３２  中間ビーム
３３  出力ビーム
４０  入力ビーム
４１  中間ビーム
４２  中間ビーム
４３  出力ビーム
３０１  ビームスプリッタ
３０２  ビームスプリッタ
３０３  ミラー
３０４  ミラー
４０１  ビームスプリッタ
４０２  ビームスプリッタ
４０３  ミラー
４２１  第１の材料で作られた部分
４２２  第２の材料で作られた部分
９０１  側面図
９０２  平面図
９０３  入力ビーム
９０４  入力ビーム
９０５  干渉計
９０６  放物面ミラーアセンブリ
９０７  検出器アセンブリ
９１１  側面図
９１２  平面図
９１３  入力ビーム
９１４  入力ビーム
９１５  干渉計
９１６  放物面ミラーアセンブリ
９１７  検出器アセンブリ
１１０１  信号
１１０２  信号
１２０１  信号
１２０２  信号
１４０１  干渉計
１４０２  ビームスプリッタ
１４０３  １／４波長板
１４０４  検出器
１４０５  検出器
【図１Ａ】
2019526044.tif 000018
【図１Ｂ】
2019526044.tif 000019
【図２】
2019526044.tif 000020
【図３】
2019526044.tif 000021
【図４】
2019526044.tif 000022
【図５】
2019526044.tif 000023
【図６Ａ】
2019526044.tif 000024
【図６Ｂ】
2019526044.tif 000025
【図６Ｃ】
2019526044.tif 000026
【図６Ｄ】
2019526044.tif 000027
【図６Ｅ】
2019526044.tif 000028
【図６Ｆ】
2019526044.tif 000029
【図６Ｇ】
2019526044.tif 000030
【図６Ｈ】
2019526044.tif 000031
【図７】
2019526044.tif 000032
【図８】
2019526044.tif 000033
【図９Ａ】
2019526044.tif 000034
【図９Ｂ】
2019526044.tif 000035
【図１０】
2019526044.tif 000036
【図１１Ａ】
2019526044.tif 000037
【図１１Ｂ】
2019526044.tif 000038
【図１２Ａ】
2019526044.tif 000039
【図１２Ｂ】
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【図１３】
2019526044.tif 000041
【図１４】
2019526044.tif 000042
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月18日(2018.9.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ロッカーで使用される干渉測定アセンブリであって、入力アセンブリと、干渉計と、検出器アセンブリとを備え、
前記入力アセンブリが、試験ビームを受信し、前記試験ビームを複数の物理的に一致しない入力ビームに分割し、前記入力ビームを前記干渉計へと方向付けるように構成され、
前記干渉計が、各入力ビームを受信し、各入力ビームに対して、前記入力ビームの波長に依存する強度を有する出力ビームを生成するように構成され、
前記検出器アセンブリが、それぞれの出力ビームの強度にそれぞれ依存する、複数の出力信号を生成するように構成され、
前記入力アセンブリが、各入力ビームが異なる角度で前記干渉計に入り、それによって異なる経路差で前記干渉計を通って移動するように、および前記出力ビームが物理的に分離されて前記検出器アセンブリに到達するように、前記入力ビームを方向付けるように構成された、干渉測定アセンブリ。
【請求項２】
前記入力ビームが、前記干渉計に入るときに水平または垂直に分離される、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記出力ビームを前記検出器アセンブリ上に集光するように構成された１つまたは複数の放物面ミラーを備える、請求項１または２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記入力アセンブリが、全ての波長に関して、前記出力信号の少なくとも１つが、指定の非ゼロ値よりも大きい、波長に伴う変化率を有するように構成された、請求項１から３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項５】
各波長に対する好ましい出力信号が、該波長における波長に伴う最大変化率を有する前記出力信号であり、前記入力アセンブリが、前記好ましい出力信号の前記変化率が最小値を有する波長において、前記好ましい出力信号の波長に伴う前記変化率を最大化するように入力ビームを方向付けるように構成された、請求項１から４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記干渉計がマッハ−ツェンダーまたはマイケルソン−モーリー干渉計であり、前記入力アセンブリが、第１の入力ビームから得られる出力ビームの強度と波長の関係が、第２の入力ビームから得られる出力ビームの強度と波長の関係からπ／２の位相差を有するようにして、２つの入力ビームを生成するように構成された、請求項１から５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項７】
光学ロッカーで使用される干渉測定アセンブリであって、干渉計と、検出器アセンブリとを備え、
前記干渉計が、第１の経路に沿って前記検出器アセンブリから見た入力ビームの像が、第２の経路に沿って前記検出器アセンブリから見た前記入力ビームの像から、少なくとも前記入力ビームに垂直な方向に変位されるように、および前記第１の経路に沿って移動するビームが前記第２の経路に沿って移動するビームと干渉して干渉パターンを生成するように、前記入力ビームから前記干渉パターンを生成するように構成され、
前記検出器アセンブリが、複数の測定領域と正規化領域とを含む、前記干渉パターンの複数の領域の強度を検出し、それぞれの測定領域および前記正規化領域の前記強度に基づいてそれぞれが判定される複数の出力信号を判定するように構成され、前記出力信号がそれぞれ、強度と波長との関係に対して異なる位相を有する、干渉測定アセンブリ。
【請求項８】
前記出力信号がそれぞれ、前記それぞれの測定領域の強度を前記正規化領域の強度で割ったものに比例する、請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記干渉計がマイケルソン干渉計であり、前記入力側と前記干渉計との間に配置された正規化ユニットを備え、前記正規化ユニットが、１００％偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタから前記干渉計に向かう方向に配置された１／４波長板と、検出器とを備え、
前記偏光ビームスプリッタが、入力ビームが前記１／４波長板および前記干渉計を通過するのを可能にし、前記干渉計からの戻りビームを前記検出器へと反射するように配置され、前記検出器アセンブリからの出力信号が、前記検出器で測定した前記強度に基づいて正規化される、請求項７または８に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記干渉計がマイケルソンまたはマッハ−ツェンダー干渉計である、請求項７または８に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の干渉測定アセンブリに試験ビームを提供するステップと、
前記複数の出力信号のうち、測定された強度の波長に伴う変化率が最大である出力信号である、選択された出力信号に基づいて、前記試験ビームの波長を判定するステップと
を含む、試験ビームの波長を測定する方法。
【国際調査報告】
2019526044.tif 000043
2019526044.tif 000044
2019526044.tif 000045
2019526044.tif 000046
2019526044.tif 000047